一種太赫茲濾波器及其加工方法與流程
2023-07-04 19:31:31
本發明涉及濾波器技術領域，特別是指一種太赫茲濾波器及其加工方法。
背景技術：
太赫茲波是「光」能量的一種，是指波長在3μm到1000μm之間，頻率為0.1～10thz的，介於微波與紅外線之間的電磁波。太赫茲(可簡寫作thz)波所具有的獨特性質，使它在天體物理學、材料科學、生物醫學、環境科學、光譜與成像技術、信息科學技術等領域有著廣泛應用。目前，太赫茲波技術在許多領域已經得到應用，並且未來還存在著無限的可能。
太赫茲波濾波器作為電子系統中重要的功能器件，在太赫茲通信系統、太赫茲檢測系統中被廣泛應用。在太赫茲波的實際應用中，由於大部分的應用環境中都存在著噪聲等影響因素，因此需要利用太赫茲波濾波器來濾除不需要的頻率和噪聲，得到實際應用中所需要的太赫茲信號，以提高電子系統的整體性能。近些年，太赫茲波已經取得了一系列進展，不管是學術界還是工業界，太赫茲技術已經漸漸成為世界範圍內廣泛研究的熱點。
現有技術中的太赫茲濾波器主要包含芯體和封裝外殼兩部分，但是芯體的材質較脆，這使得現有技術中的太赫茲濾波器極容易出現損壞。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的目的在於提出一種太赫茲濾波器及其加工方法，其能夠對太赫茲濾波器的芯體提供更加優良的保護，增強太赫茲濾波器的強度和使用壽命。
基於上述目的，本發明提供的技術方案是：
一種太赫茲濾波器，包含芯體和封裝外殼，芯體中最小結構尺寸在10微米量級，芯體內具有基於微機電系統和深反應離子刻蝕技術加工而成的波導腔，封裝外殼內具有與芯體的外部規格尺寸一致的芯體腔，芯體腔在各個方向上均具有腔壁，芯體位於芯體腔內，封裝外殼將芯體完全包裹，芯體腔的兩端各設有一條直線形導孔，導孔的一端與芯體的波導腔相接，導孔的另一端開口於封裝外殼的外表面，導孔與波導腔處於一條直線上，導孔的徑向截面與波導腔的徑向截面尺寸一致。
可選地，封裝外殼包含結構對稱的上封裝外殼和下封裝外殼，上封裝外殼內具有上型腔，下封裝外殼內具有下型腔，芯體腔和導孔由上型腔和下型腔共同構成。
此外，本發明還提供一種太赫茲濾波器製造方法，該方法用於製造如上任一項所述的太赫茲濾波器，該方法包括如下步驟：
(1)使用微機電系統(micro-electro-mechanicalsystem，簡稱mems)，並基於深反應離子刻蝕(deepreactiveionetching，簡稱drie)技術製造太赫茲濾波器的芯體；
(2)使用計算機數字控制工具機(computerizednumericalcontrolmachine，簡稱cnc)加工太赫茲濾波器封裝外殼的外部結構以及包含芯體腔和導孔在內的內部結構；
(3)將芯體封裝在封裝外殼內，使封裝外殼將芯體完全包裹。
可選地，步驟(1)的具體方式為：
(101)利用第一掩模板對第一矽片的上表面進行第一次光刻，在第一矽片上形成第一阻擋層；
(102)在第一阻擋層的基礎上，使用微機電系統，並基於深反應離子刻蝕技術對第一矽片進行第一次刻蝕，在第一矽片的上表面上形成用於構成波導腔的凹槽；
(103)利用第二掩模板對第一矽片進行第二次光刻，在第一矽片上形成覆蓋凹槽的、用於在第一矽片上劃出單個器件輪廓的第二阻擋層；
(104)在第二阻擋層的基礎上，使用微機電系統，並基於深反應離子刻蝕技術對第一矽片進行第二次刻蝕直至矽片被刻穿，將第一矽片預先劃分為單個器件；
(105)對第一矽片進行鍍金，使得第一矽片中每個單個器件的上表面及側面均覆蓋鍍金層；
(106)另取與第一矽片尺寸相同的第二矽片，在第二矽片的一面上進行鍍金；
(107)將第二矽片的鍍金面與第一矽片的上表面貼合，並通過金-金鍵合工藝將第一矽片和第二矽片結合起來；
(108)利用與第二掩模板圖案相同的掩模板對第二矽片進行第三次光刻，在第二矽片上形成與單個器件輪廓相同的圖案；
(109)劃片以形成芯體。
可選地，步驟(105)和步驟(106)中鍍金的具體方式為：
(x01)使用物理氣相沉積(physicalvapordeposition，簡稱pvd)技術在矽片的表面濺射一層50～200納米厚的第一金層；
(x02)利用電鍍工藝，在第一金層的表面上再電鍍一層100～2000納米厚的第二金層，第一金層和第二金層的總厚度至少為1微米；
(x03)利用化學機械拋光(chemicalmechanicalpolishing，簡稱cmp)工藝對第二金層的表面進行拋光，使得第二金層的表面平整度在50納米範圍內。
可選地，第一次刻蝕的速度為2～4微米/分鐘。
可選地，封裝外殼包含結構對稱的上封裝外殼和下封裝外殼，上封裝外殼具有上型腔，下封裝外殼具有下型腔，上型腔和下型腔共同構成包含芯體腔和導孔在內的封裝外殼內部結構；步驟(2)的具體方式為：
(201)使用計算機數字控制工具機以10微米以內加工精度加工上封裝外殼的外部結構和上型腔；
(202)使用計算機數字控制工具機以10微米以內加工精度加工下封裝外殼的外部結構和下型腔；
(203)在上封裝外殼和下封裝外殼的表面分別鍍一層金屬金。
從上面所述可以看出，本發明的有益效果在於：
1、現有技術中太赫茲濾波器的芯體長度與封裝外殼的長度相同，封裝外殼的兩端開有通孔，芯體插入在通孔內，芯體的兩端與封裝外殼的外表面相平齊，因此芯體的兩端是裸露在外的。這樣，由於芯體材質脆弱，因此現有技術中的太赫茲濾波器極其容易損壞。有鑑於此，本發明太赫茲濾波器將芯體的長度縮短，從而使封裝外殼將芯體完全包裹，提高了整個太赫茲濾波器的強度，增長了太赫茲濾波器的使用壽命。
2、由於本發明中的封裝外殼將芯體完全包裹，因此本發明還在封裝外殼中設置了導孔，從而將芯體中的波導腔與外界連通。
3、由於太赫茲頻率高，濾波器內枝節結構細小，尺寸結構在10微米量級，傳統高精度cnc技術加工難度大，因此本發明提出了一種基於mems和drie技術的全新的芯體加工方法，該方法能夠保證凹槽的精度及表面平整度，使得凹槽側壁的垂直度大於89度，解決了現有技術加工方法難於加工小尺寸芯體的問題。
總之，本發明提供了一種全新結構的太赫茲濾波器，並針對這種濾波器設計了全新的加工方法，從而使得本發明太赫茲濾波器既能保證濾波性能，同時又具有極好的強度，是對現有技術的一種重要改進。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明實施例中一種太赫茲濾波器的結構示意圖；
圖2為圖1中芯體的結構示意圖；
圖3為圖2的a面剖視圖；
圖4～12為本發明實施例中一種太赫茲濾波器製造方法的每一個步驟的芯體結構示意圖；
圖13為芯體內部波導腔的結構示意圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明做進一步的詳細說明。
如圖1～3所示，一種太赫茲濾波器，包含芯體2和封裝外殼1，芯體2中最小結構尺寸在10微米量級，芯體2內具有基於微機電系統和深反應離子刻蝕技術加工而成的波導腔21，波導腔21內具有膜片22，封裝外殼1內具有與芯體2的外部規格尺寸一致的芯體腔(未圖示，即圖1中芯體2所佔據的位置)，芯體腔在各個方向上均具有腔壁，芯體位於芯體腔內，封裝外殼1將芯體2完全包裹，芯體腔的兩端各設有一條直線形導孔11，導孔11的一端與芯體2的波導腔21相接，導孔11的另一端開口於封裝外殼1的外表面(即圖1中的孔口12)，導孔11與波導腔21處於一條直線上，導孔11的徑向截面與波導腔21的徑向截面尺寸一致。
可選地，封裝外殼包含結構對稱的上封裝外殼和下封裝外殼，上封裝外殼內具有上型腔，下封裝外殼內具有下型腔，芯體腔和導孔由上型腔和下型腔共同構成。
一種太赫茲濾波器製造方法，該方法用於製造如上任一項所述的太赫茲濾波器，該方法包括如下步驟：
(1)使用微機電系統，並基於深反應離子刻蝕技術製造太赫茲濾波器的芯體；
(2)使用計算機數字控制工具機加工太赫茲濾波器封裝外殼的外部結構以及包含芯體腔和導孔在內的內部結構；
(3)將芯體封裝在封裝外殼內，使封裝外殼將芯體完全包裹。
可選地，步驟(1)的具體方式為：
(101)利用第一掩模板對第一矽片的上表面進行第一次光刻，在第一矽片上形成第一阻擋層(見圖4)；
(102)在第一阻擋層的基礎上，使用微機電系統，並基於深反應離子刻蝕技術對第一矽片進行第一次刻蝕，在第一矽片的上表面上形成用於構成波導腔的凹槽(見圖5)；
(103)利用第二掩模板對第一矽片進行第二次光刻，在第一矽片上形成覆蓋凹槽的、用於在第一矽片上劃出單個器件輪廓的第二阻擋層(見圖6)；
(104)在第二阻擋層的基礎上，使用微機電系統，並基於深反應離子刻蝕技術對第一矽片進行第二次刻蝕直至矽片被刻穿，將第一矽片預先劃分為單個器件(見圖7)；
(105)對第一矽片進行鍍金，使得第一矽片中每個單個器件的上表面及側面均覆蓋鍍金層(見圖8)；
(106)另取與第一矽片尺寸相同的第二矽片，在第二矽片的一面上進行鍍金(見圖9)；
(107)將第二矽片的鍍金面與第一矽片的上表面貼合，並通過金-金鍵合工藝將第一矽片和第二矽片結合起來(見圖10)；
(108)利用與第二掩模板圖案相同的掩模板對第二矽片進行第三次光刻，在第二矽片上形成與單個器件輪廓相同的圖案(見圖11)；
(109)劃片以形成芯體(見圖12)。
可選地，步驟(105)和步驟(106)中鍍金的具體方式為：
(x01)使用物理氣相沉積技術在矽片的表面濺射一層50～200納米厚的第一金層；
(x02)利用電鍍工藝，在第一金層的表面上再電鍍一層100～2000納米厚的第二金層，第一金層和第二金層的總厚度至少為1微米；
(x03)利用化學機械拋光工藝對第二金層的表面進行拋光，使得第二金層的表面平整度在50納米範圍內。
可選地，第一次刻蝕的速度為2～4微米/分鐘。
可選地，封裝外殼包含結構對稱的上封裝外殼和下封裝外殼，上封裝外殼具有上型腔，下封裝外殼具有下型腔，上型腔和下型腔共同構成包含芯體腔和導孔在內的封裝外殼內部結構；步驟(2)的具體方式為：
(201)使用計算機數字控制工具機以10微米以內加工精度加工上封裝外殼的外部結構和上型腔；
(202)使用計算機數字控制工具機以10微米以內加工精度加工下封裝外殼的外部結構和下型腔；
(203)在上封裝外殼和下封裝外殼的表面分別鍍一層金屬金。
最後，本具體實施方式部分給出幾個用上述方法製造的濾波器的具體案例，製作出的芯體其波導腔結構如圖13所示：
以下濾波器的設計中心頻率均為340ghz，波導口結構尺寸均為0.355mm*0.71mm，導孔11的長度均為6.8mm，芯體2的尺寸均為1.5mm*1mm*2.2mm，封裝外殼1的長度均為20.12mm。
a)結構1301為0.04mm，結構1302為0.06mm，結構1303為0.06mm，結構1304為17mm，結構1305為0.22mm，結構1306為0.24mm，結構1307為0.46mm，結構1308為0.52mm。所得濾波器的實際中心頻點為340ghz，帶寬為20ghz，帶內插損小於1db，回波損耗大於20db。
b)結構1301為0.04mm，結構1302為0.06mm，結構1303為0.06mm，結構1304為17mm，結構1305為0.22mm，結構1306為0.24mm，結構1307為0.44mm，結構1308為0.5mm。所得濾波器的實際中心頻點為338ghz，帶寬為19.5ghz，帶內插損小於1db，回波損耗大於20db，
c)結構1301為0.04mm，結構1302為0.06mm，結構1303為0.06mm，結構1304為17mm，結構1305為0.22mm，結構1306為0.24mm，結構1307為0.42mm，結構1308為0.48mm。所得濾波器的實際中心頻點為342ghz，帶寬為20.6ghz，帶內插損小於1db，回波損耗大於20db。
可見，採用本發明方法製得的濾波器具有良好的性能。
所屬領域的普通技術人員應當理解：以上任何實施例的討論僅為示例性的，並非旨在暗示本公開的範圍(包括權利要求)被限於這些例子。凡在本發明的精神和原則之內，對以上實施例所做的任何省略、修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。